利用光能驱动二氧化碳(carbon dioxide,CO2)还原生产化学品对于缓解环境压力、解决能源危机具有重要意义.光捕获、光电转化和 CO2 固定等作为影响光合作用效率的关键因素,同时也制约着CO2 的资源化利用效率.为了解决上述问题,本文从生物化学与代谢工程相结合的角度,系统总结了光驱动杂合系统的构建、优化与应用,并从酶杂合系统、生物杂合系统以及杂合系统应用 3 个方面分析了光驱动 CO2 还原合成化学品的最新研究进展.在酶杂合系统方面,采用的策略主要有提升酶催化活性、增强酶稳定性等;在生物杂合系统方面,采用的方法主要包括增强生物捕光能力、优化还原力供应以及改善能量再生等;在杂合系统应用方面,主要阐述了光驱动CO2还原生产一碳含能化合物、生物燃料以及生物食品等.最后,从纳米材料(包括有机材料和无机材料)和生物催化剂(包括酶和微生物)两个方面,展望了人工光合系统的进一步发展方向.

水生维管植物经历了从陆生向水生的"回归"演化,这个过程伴随着周围环境的一系列巨大变化,尤其是水体中无机碳环境与陆生生境的差异赋予了水生植物光合无机碳利用策略与陆生植物截然不同的生态学意义.本文综述了以光合作用为核心的水生植物无机碳利用策略的特殊性和多样性,以及研究水生植物无机碳利用策略的意义,并展望了基于水生植物尤其是水鳖科的无机碳利用策略为核心的植物适应机制研究的优势,旨在为水生植物适应机制和适应性进化研究提供新的思考方向.

为探讨刺槐对不同喀斯特环境的适应能力及其在生态系统构建的配置方式,通过室内水培实验,人工模拟干旱、高重碳酸盐、低营养、缺磷4种喀斯特土壤生境胁迫,研究刺槐幼苗的光合特性、碳酸酐酶活力、δ13C值和干物质分配对不同喀斯特生境胁迫的响应及适应策略.结果 表明:在干旱环境下,刺槐幼苗短期内(10天)最为敏感且受抑制最强,虽增加根冠比和水分利用效率,长期内(20天)能够维持生存;在高重碳酸盐环境下,因气孔导度降低,其通过骤增碳酸酐酶活力来增加溶液中HCO3-利用能力,以此提高茎叶干物质分配,长期保持较好生长力;在低营养环境下,短期内(10天)限制刺槐生长的主要因素为气孔限制,长期内(20天)通过上调碳酸酐酶活力增加对HCO3-的利用能力,提高根部干物质分配,但其生长仍受溶液无机元素的浓度限制;在缺磷环境下,刺槐通过上调碳酸酐酶活力来增加HCO3-利用能力,提高根部干物质分配,维持较高的生长能力.刺槐幼苗在不同喀斯特环境下表现出不同的适应机制,刺槐对4种模拟的喀斯特土壤环境胁迫适应性综合评价为:重碳酸盐＞缺磷＞低营养＞干旱.

以生长发育过程中具有异形叶的水生植物水菜花(Ottelia cordata (Wall.) Dandy)为材料,利用叶绿素荧光技术和pH-漂移(pH-drift)实验测定具有两型叶片的水菜花正常沉水叶(submerged leaves,S)、正常浮水叶(floating leaves,F)、处于淹没状态的浮水叶(submerged floating leaves,SF)以及只有浮水叶植株的浮水叶(floating leaves only,OF)的叶绿素荧光特征与HC3-利用能力.快速光曲线分析结果显示:沉水叶(S)的相对电子传递速率(rETR)显著低于其他类型的叶片,且随着光强的增强,差异增大;由光化学引起的荧光淬灭qP、潜在最大电子传递速率(rETRax)、半饱和光强(Ek)等指标均为沉水叶(S)显著低于浮水叶(F).沉水叶(S)与淹没状态的浮水叶(SF)表征HCO3-利用能力的CT/AIk值显著低于两种浮水叶(F和OF).研究结果表明水菜花成年期的浮水叶比幼年期的沉水叶具有更高的光合效率,并且更适合在高光强下生长;当水位发生波动时被淹没的浮水叶会增强对HCO3-的利用能力以适应淹水低浓度CO2环境.

以西南亚高山针叶林优势种——粗枝云杉(Picea asperata)为研究对象,探究不同土壤水分状况和氮添加下云杉碳氮化学计量比的变化及其响应过程.采用两因素(水分×氮素)随机区组实验,设置5个土壤水分梯度和3个氮添加浓度,其中土壤水分梯度分别是土壤田间持水量的40％ (W1)、50％ (W2)、60％ (W3)、80％ (W4)和100％(W5),氮添加浓度分别为0(N0)、20(N1)、40(N2)gN m-2 a-1.结果 表明:(1)土壤水分和氮添加显著影响了云杉碳氮化学计量比(P＜0.05),具体为:云杉植株和器官碳氮比在N0W4处理下最大值,随土壤水分有效性的降低而减小,随氮添加浓度的增加而降低.(2)随土壤水分有效性的降低,根和叶的碳含量显著升高(P＜0.05),茎和叶的碳含量随着氮添加浓度的增加而降低.此外,土壤水分有效性的降低显著提高了根和茎的氮含量(P＜0.05),各器官的氮含量随着氮添加浓度的增加而增加.在相同水分和氮添加浓度处理下表现为碳含量:叶＞茎＞根,氮含量:叶＞根＞茎.(3)云杉净光合速率随土壤水分有效性的降低先升高后降低,随氮添加浓度增加而增加,在N2W4达到最大.(4)根对NH4+和NO3-的净吸收速率随土壤水分有效性的降低而减小,随氮添加浓度的增加而显著增加(P＜0.05).此外,根对NH4+的净吸收速率与土壤有效氮含量呈显著负相关关系(P＜0.05).本研究表明,土壤水分和氮添加影响了云杉的碳同化和氮吸收过程,改变植物的碳、氮分配策略和养分利用效率,从而导致碳氮比的变化.

[背景]施肥是目前提高作物产量的较优策略,不同的施肥措施在不同程度上影响土壤肥力和微生物群落结构.[目的]探究岩溶水稻土理化性质变化与细菌群落变化的对应关系,进而反映不同施肥措施对土壤可培养细菌群落的影响.最后选出最优施肥方案,为后续的合理施肥工作提供依据.[方法]对岩溶水稻土进行不施肥、常规施肥、常规施肥加绿肥3种施肥处理,通过对土壤理化性质、可培养细菌群落丰度及多样性变化的研究,探究在不同施肥措施下对岩溶水稻土壤细菌群落的影响.[结果]对比不施肥处理,常规施肥处理下土壤pH值和有机碳含量下降,结合大量研究结果证明,无机肥或氮肥的长期过量施加使土壤pH值下降,常规施肥加绿肥有利于有机碳的积累.分离纯化共得到164株菌,分别来自Actinobacteria、Bacteroidetes、Firmicutes和Proteobacteria.属水平上常规施肥配施绿肥较常规施肥组优势菌属Sphingomonas、Lysobacter的相对丰度增加.细菌群落多样性增加,出现Paenibacillus、Streptomyces和Pseudomonas等特有功能菌属.优势菌属Sphingopyxis、Lysobacter、Paenibacillus、Bosea、Streptomyces、 Pseudomonas和Bacillus与TN存在显著正相关,在常规施肥加绿肥处理土壤中增加.[结论]常规施肥加绿肥处理下,固氮、溶磷等功能菌丰度增加,增加土壤肥力,保持土壤养分的可利用性,对作物的增产起重要作用.岩溶水稻土常规施肥配施绿肥处理的效果优于不施肥和常规施肥处理.

自养微生物能够利用无机碳作为碳源合成自身营养物质,具有很强的环境适应能力,在富钙偏碱的岩溶区土壤的碳固定过程中扮演重要角色.本文综述了土壤微生物驱动的自养固碳过程、岩溶区土壤固碳功能微生物、自养固碳的分子机制及其产生的生态环境效应,并提出了亟待解决的关键科学问题.为深入研究和认识岩溶区土壤生态系统自养微生物驱动的固碳过程及其机制、提高岩溶区土壤的固碳潜能、发展岩溶区生态环境的保护与修复策略、应对气候变化及人类活动引起的土壤退化风险提供参考.

背景:硅橡胶是人体组织、器官外科修复重建的常用生物材料,但其自身存在生物相容性缺陷,无机纳米填料为植入硅橡胶的生物相容性改良和构建具有特定功能的复合材料提供了新契机.目的:综述植入硅橡胶添加无机纳米填料改性在生物相容改良研究方面已取得的成果及不足.方法:在PubMed、Web of Science和Medline等英文生物医学数据库,输入"siloxane,silicone rubber,inorganic nano-filler,metal nano-filler,metal oxide nano-filler,carbon nanoparticles"关键词,在万方、CNKI和维普等中文数据库输入"硅橡胶、无机纳米填料、纳米金属、纳米金属氧化物、纳米碳"关键词,分别检索出与无机纳米填料改性硅橡胶的相关文献,时间跨度从2014年1月至2020年10月.结果 与结论:利用纳米金属及其氧化物和纳米新碳填料对植入硅橡胶本体或表面进行改性,增进了硅橡胶的生物相容性,可在细胞生长、抗凝血、表面特性、力学性能、耐久性、抗感染功能化等方面产生积极影响.未来需研究不同纳米填料对硅橡胶表面性质(如拓扑结构、电荷、湿润性)造成的细胞增殖移行机制、纳米金属杀菌剂在硅橡胶表面控释阳离子的细菌-纳米粒子相互作用调节策略,以及植入后潜在的纳米毒性.

背景:近红外发光碳点具备有蓝绿发光碳点不具备的组织穿透性,是理想的成像剂,但是由于其在体内易降解而无法到达靶点组织,实验将其与纳米粒相结合,使其能通过循环系统到达相应靶点,达到实时成像的目的.目的:制备具有成像能力且安全性高的近红外成像载碳点介孔有机-无机杂化二氧化硅纳米粒(mesoporous organosilica nanocapsules-carbon nanodots,MON-CDs).方法:利用胶束/前体共模板组装策略,以原硅酸四乙酯和双[3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基]四硫化物为原材料、十六烷基三甲基氯化铵为模板剂、三乙醇胺为碱性催化剂成功制备了有机-无机杂化介孔二氧化硅纳米粒子,并将碳点加入到整个体系中制备MON-CDs.利用透射电镜与荧光光谱仪检测纳米粒的结构、形貌及其加载的荧光强度;利用光声成像仪、扫描激光共聚焦显微镜验证其体外成像能力,并在小鼠乳腺癌模型体内证明其体内光声成像能力;利用CCK-8实验检测不同质量浓度MON-CDs溶液的生物安全性.结果 与结论:①透射电镜显示,MON-CDs的粒径为(50.0±4.6)nm,呈球形,大小均一且具备良好的分散性,孔道清晰可见,碳点参杂其中;荧光检测显示碳点与介孔有机-无机杂化二氧化硅纳米粒子成功连接;②CCK-8检测显示,当MON-CDs溶液的质量浓度在200 mg/L以内时无明显的细胞毒性;③扫描激光共聚焦显微镜显示,当MON-CDs与MCF-7细胞共孵育1 h时,纳米粒已出现了细胞摄取,并且大部分集中于细胞膜附近;共孵育2 h时,纳米粒累积进入细胞内的量增加,纳米粒主要分布于细胞质中,并且大部分细胞内部均出现了纳米粒的摄入;④光声成像检测显示,随着MON-CDs溶液质量浓度的增加,体外光声信号强度增强;经尾静脉注射MON-CDs溶液6 h后,在乳腺癌小鼠肿瘤组织处观察到了明显的光声信号;⑤结果表明,MON-CDs具有很好的生物安全性且拥有近红外发光,在光声成像仪及激光共聚焦下展现了良好的成像能力.

以睡莲(Nymphaea tetragona Georgi)、萍蓬草(Nuphar pumila(Timm)de Candolle)、条叶萍蓬草(Nuphar sagittifolia Pursh)、眼子菜(Potamogeton distinctus A.Bennett)、南方眼子菜(Potamogeton octan-drus Poir)和泽泻(Alisma plantago-aquatica L.)6种叶异形水生植物为材料,对它们的叶绿素含量、气孔性状、解剖结构和HCO3-利用等指标进行分析,比较了两种不同发育阶段叶片结构和无机碳获取策略的差异.结果显示,幼态叶比成熟叶的叶片更薄,具有更少的细胞层数,幼态叶上下表面均不具备气孔,而成熟叶上表皮有气孔.说明幼态叶在结构上增加细胞比表面积,增加水下吸收无机碳的能力,而成熟叶的结构能更好地吸收大气中的CO2.pH-drift分析结果证明,幼态叶具有更高获取水下无机碳的能力,以适应沉水环境.本研究还发现眼子菜和南方眼子菜的幼态叶可以利用水体中HCO3-为额外碳源,更有利于其在沉水环境中生长.研究结果阐明了叶异形水生植物不同发育阶段叶片结构和利用无机碳获取策略对水下和气生环境的适应性.